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| 低温辐射供冷系统的现状 |
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| 作者：pcxfbiz 文章来源：暖通网 点击数： 更新时间：2008-1-29 11:27 |
随着世界经济的发展，能源的产出与消耗之间的矛盾日益突出。我国是世界上人口众多，能源相对贫乏的国家之一，人均能源占有量仅为世界平均水平的40％， 但能源消耗量到2003年已占世界消耗量的10％ ，总量已居世界第二位。目前，工业耗能、交通耗能和建筑耗能已经成为我国能源消耗的的主要部分。建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和人们对居住舒适度要求的提高，呈急剧上升趋势，因此格外受到重视。建筑节能作为缓解能源危机的重要途径已经势在必行。
1 我国空调能耗的现状[1~4]
而在建筑能耗中又以空调能耗比例为最重。据统计，空调能耗约占建筑能耗的二分之一。空调作为住宅能耗的大户，每年正在以l100万台的惊人速度增长，在建筑能耗中所占的比例迅速上升。在夏季空调集中使用时段，京、津、沪等超大城市空调负荷占到城市尖峰负荷的40％左右。严寒地区有的城市，建筑能耗也占到本城市总能耗的一半左右。2001年全国新增空调装机容量1600万KW，已超过三峡竣工后的发电总装机容量；2002年全国各电网空调制冷负荷共达4500万KW，相当于2.5个三峡电站的满负荷工作。预计到2010年，全国制冷电力高峰负荷将增加一倍以上。建筑能耗的持续增加最终将导致全社会的能源短缺。
在建筑中使用空调越来越普遍的今天，传统的空调设备和系统存在着两个主要问题：一是空调系统耗能较多，由此也带来了一系列的能源、环境、健康问题，不利于社会可持续发展；二是对于长期工作和生活在这种空调环境中的人，由于空调房间的新鲜空气少，空气品质较差，对身体健康产生不良影响，如越来越多的人患上“空调病”、哮喘等，此外还有吹风感等热舒适问题。大量大功率空调设备的使用，不仅导致了能源需求的大大提高和巨大的能源浪费，同时还带来日益严重的空气污染。因此，研究“节能、健康、舒适”的空调设备和系统，提供更加舒适的空调环境和节能降耗就成为当今空调技术研究发展的主题。本文讨论的这几种低温辐射供冷系统就是在这一主题的倡导下出现的。
2 低温辐射空调系统及发展状况[5]
低温辐射供冷系统是指通过在竖直墙壁内、天花板或地板中安装盘管，利用墙体、天花板、地板材料的热容性（热惰性），同时利用水循环冷却的作用从而达到控制室温的目的，维持室内温度在人体舒适度范围内的一种供冷方式。这种辐射供冷系统主要利用辐射方式来使房间达到舒适性要求。目前应用和研究相对比较成熟的系统有：冷却顶板，地板供冷，空调墙系统。
2.1 冷却顶板（Cooling Ceiling）
水源辐射的空调方式可能是人类最古老的室内热环境调节手段，最近科学家在土耳其东部的库尔德人聚居区遗址中发现，几千年前人类就知道在夏季将溪水引入建筑屋顶下的夹层中，通过冷却屋面而达到为室内降温的目的。在二十世纪，水源辐射空调方式再次出现，特别是在八十年代中后期，多种水源辐射空调系统形式在欧洲出现，并在一些工程实践中得到应用。
冷却顶板辐射式空调系统起源于欧洲，特别是斯堪的纳维亚国家常采用设置在顶棚的供冷辐射板或供冷梁+定风量送风系统结构的方式。这一应用已有多年的历史，具有较好的舒适性和经济性，在美国、日本和澳大利亚得到快速发展，冷却顶板系列化的产品也得到日益广泛应用。早在1980年的ASHRAE Handbook中就已经详细收录了冷板辐射式空调的型式、材料、制冷性能评价、设计、安装及其控制，并在每四年的ASHRAE Handbook中做过修正。近年来，冷却顶板的研究也日益受到国内有关人士的重视。许多高等院校和科研单位都进行了相关的实验研究,在我国有些地区冷却顶板空调也有了成功的应用。
天津大学根据德国等国的经验和测试标准，结合我国的材料条件、加工能力等实际情况，搭建试验台，对冷天花的热工特性、传热机理等进行了分析、研究[6、7]。对冷天花特性的各种参数进行分析对比。北京建筑工程学院城建系也通过建立天棚辐射供冷系统的物理模型和数学模型[8]，得出冷水温度，管子埋深，埋管间距，管径等对表面温度及换热量的影响。北京工业大学学建筑设备和环境工程实验室在北京市科委的支持下立项研究于2000年6～8月进行了冷却顶板夏季制冷的实验研究，运行效果令人满意[9]。该实验对冷却顶板的参数进行测量，分别对结露状态和性能进行实验，另外还对冷却顶板空调和新风系统的配合进行了实验。其他的单位也进行了相关的实验和研究，对冷却顶板的实际应用具有积极的指导意义。
楼板制冷和采暖系统属于低能耗建筑的重要部分，它不仅可以降低建筑使用中制冷和采暖的能量消耗，还可以降低设备使用的功率强度。低能耗可以降低建筑使用的长期投入；低功率强度可以降低建筑制冷和采暖设备的一次性设备投资。
但是由于此项技术仍位于研究开发阶段，因此存在一定的缺陷。对于相对湿度较大，露点温度高于或接近设备工作温度时，室内会出现冷凝现象。为了让系统正常工作，需要另行调节室内相对空气湿度，使露点温度降低到系统安全工作的范围以下，其计算不仅要考虑室内原有的空气湿度，还要考虑工作设备和人等产生的湿气[9]。
2.2 低温辐射地板采暖/供冷（low-temperature Radiant Floor Heating/Cooling）[10~12]
低温地板采暖在国外，如韩国、欧美等国家较早开始应用，地板采暖由于其节能、舒适、经济、运行可靠的特点，近几年在我国也开始推广和应用。地板采暖采用的管材通常有交联聚乙烯管、聚丁烯管、氯化聚丙烯管等。这些材料与传统采暖形式采用的钢管相比具有耐久性能好、质量轻、柔软性好、抗冻耐热性好、施工简单等优点，并克服了钢管易结垢、生锈的缺点。同时管子和地板混凝土之间无空隙，传热较快且均匀，热量保存时间长，采暖效果优越。
低温热水地板辐射采暖技术的基本原理是：由供热装置供给低于6O℃ 的热水，通过一种埋设于建筑地板上部细石砼或水泥砂层内的特别塑料管，在设置的自动控制元件控制下，将地板表面加热到设计所规定的温度，以辐射方式为主定向均匀放热，从而达到舒适的采暖效果。它所形成的热曲线是近乎理想的上部温度低，下部温度高的曲线，即它提供的热量在人体的脚部较强，头部温和，这正符合人体足部血液循环最差，头部温度较高的特点，给人 “脚暖头凉”的舒适感。
地板辐射供冷的研究还处于初始阶段，相对滞后于辐射采暖。主要原因在于地板供冷在上世纪90年代以前，被绝大多数人认为是不可行的。其原因主要有这样几点[13]：（1）对结露问题的疑虑；（2）认为在舒适性方面，有悖于“脚暖头冷”的要求；（3）认为冷表面在下，对流传热弱，冷量会大大小于顶板供冷。直到上世纪90年代末，欧洲开始进行这方面的理论和实际应用的探讨，国内近年来也加快了此项研究和应用的进程。研究分析和实践证明，上述担心有些是通过一定技术措施可以解决的问题，有些则是惯性思维或缺乏深入研究而造成的误解。
山东建筑工程学院和南京师范大学以王子介教授为首较早的开始进行这方面的研究。从1998年开始王教授就开始着手进行这方面的工作。在文献[14]中，作者论述了地板供暖系统用于夏季供冷在法国的实验和应用。山东建筑工程学院1998年首先在北方进行了地板供冷的理论探讨和实验研究[15]。2001年起，与南京师范大学合作开始在南京进行地板供冷的实验研究[16]，研究了这项技术在炎热、高湿度地区可行性。建造了地板供冷系统的实验室进行了地板供冷－置换通风的实验研究，在样板住宅进行了空气源热泵带地板供冷暖系统的实测研究，对地板的供冷能力、防结露措施、舒适性、实际应用效果、能耗、模拟计算方法等进行了较为系统、全面的研究和探讨。北京建筑工程学院也建立了地板辐射供冷暖－置换通风系统的试验台[17]，对此项技术在北京地区的可行性进行了分析和论证，实际证明这种系统完全能够达到室温要求，在节省能耗和运行费用方面具有明显的优势。
地板供冷/置换通风复合系统中地板辐射供冷就弥补了传统空调中以对流为主的不利因素，增加了人体的辐射换热量，有助于提高室内舒适度。辐射供冷的显著优点是辐射冷却系统还具有避免吹风感、提高舒适性以及将采暖和空调的末端设备统一等特点，而且还可以保证室内温度具有较好的均匀性，因此具有非常广阔的前景。在西欧和北欧等发达国家，分设冷却系统近年来得到了充分的发展。
2.3 混凝土中心空调系统（Concrete Core Conditioning Systems）[18]
混凝土中心技术沿袭了辐射采暖的思想而开发设计的一种辐射板形式，它是将特制的塑料管或不锈钢管，在楼板浇筑前将管路排布好并固定在钢筋网上，然后再进行混凝土的浇筑。这种技术是九十年代末在欧洲兴起的一项节能和富有经济性的技术，在瑞士得到较为广泛的应用，在我国住宅建筑中也有少量的试点应用。北京市海淀区的万柳社区内锋尚国际公寓工程采用了混凝土采暖制冷系统。
由于混凝土楼板具有较大的蓄热能力，因此可以利用这种辐射板实现蓄能，但是系统的惯性较大，启动时间长，动态响应慢，有时不利于即时调节和控制，需要很长的预冷或预热时间。示意图如右：
3 系统存在的问题及解决方法
3.1 系统的特点及存在的问题
低温辐射式空调系统的几种形式具有共同的特点：
（1）系统均以水作为冷媒来传递能量，其密度大，占空间小，效率高，但是水温都比较低；
（2）都是较长管路的闭式循环系统，如地板采暖/供冷系统的管路一般约为60-120m；
（3）冷却顶板和地板供热/冷系统将大量水平管道敷设于室内顶部或地板中；
（4）系统的水流速较低等。
这些特点决定了在低温辐射系统的管路中一旦积聚了气体就很难排除出去，气体的积聚将对系统的设备（管路，阀门等）造成极大的危害，降低设备的使用寿命，增加系统的能耗，同时气泡积聚在管路中对采暖和供冷的效果也有极大的影响，因此，对于低温辐射采暖/供冷系统水平管路及支路中的溶解气体的排除必须加以考虑。一般系统都考虑在系统末端较高位置安装排气阀，但是，不同厂家的排气阀的效率各有不同，因此，研究开发一种高效除气的装置成为一种需求趋势。
3.2 实验原理及系统
对于除去水系统中的气体，一般的排气阀是在聚集了一定气体后才相应进行变化排出气体，是“被动”排气的过程。本文基于亨利定律的原理，根据压力不同气体在水中的溶解度不同将系统水中溶解的气体除去，脱除了气体的部分不饱和水重新回到系统中，为了达到气水溶解度平衡，这部分水像海绵一样“主动”吸收水中的溶解气体，水系统循环动态运行，迅速脱除水中的气体，脱气彻底。
3.2.1 亨利定律（Henry’s Law）
亨利定律是指：在一定的温度和压力（不太高）下，稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液相中的溶解度成正比，即：
式中 p* —溶质在气相中的平衡分压，kN/m2；
x——溶质在液相中的摩尔分率；
E——亨利系数，kN/m2；
3.2.1 实验流程
根据亨利定律和实际条件，我们设计了如下图所示的实验系统。左边通过真空泵来保证容器具有一定的真空度，将此系统接入低温辐射空调系统的水循环系统，水在循环流经容器的过程中将溶解于其中的大部分气体除去，从而达到除气的目的。
相关的实验和模拟我们正在进行中，进一步的实验结果我们将在后继文章中探讨。 |
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